自平衡式两轮电动车运动控制技术研究

论文摘要

随着汽车工业的高速发展,人均汽车持有量的不断提高,现有的能源、交通和环境状况将难以继续支持。在这样的背景下,自平衡式两轮电动车概念应运而生。它是一种清洁、小型的城际电动辅助交通工具,能够很好的解决传统汽车所带来的诸多问题。自平衡式两轮电动车是一个非线性、强耦合、欠驱动的自不稳定系统,对其控制策略的研究具有重大的理论意义。首先,基于分析力学和牛顿力学相结合的方式对系统进行了动力学方程推导,得到了系统的刚性模型和柔性模型,并在MATLAB环境下进行了模型的验证实验。针对所建模型,进行能控性、能观型、转弯惯性力、最大上下坡角度、最大可控角等系统特性的分析,得出了相关结论及设计参考公式。在车身倾角和车轮转速控制器设计方面,基于传统双闭环PID控制器的实验经验,得出了控制效果更好的双闭环模糊控制器,并通过仿真实验验证了其有效性和鲁棒性。针对直线运行时两车轮转速差的问题,提出了一种切换式动态补偿方法,得到了较好的矫正效果。进行自平衡式两轮电动车实物装置的设计和制造,包括基于MEMS的倾角传感器机构、系统的执行机构、控制器机构、电源供给机构和人机交互机构等五个部分。并针对该装置,确定了系统的软件结构。最后,将控制算法转换为程序代码,写入控制芯片并进行实物实验,结果证明控制算法在实物装置中同样有效。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 课题背景
• 1.2 国内外研究现状及分析
• 1.2.1 自平衡式两轮电动车发展
• 1.2.2 控制算法及建模方法
• 1.2.3 研究现状分析
• 1.3 主要研究内容
• 第2章 自平衡式两轮电动车系统建模
• 2.1 自平衡式两轮电动车刚性模型建立
• 2.1.1 速度计算
• 2.1.2 能量计算
• 2.1.3 应用拉格朗日方程建模
• 2.1.4 模型线性化
• 2.2 模型验证
• 2.3 直线运动时系统等效模型
• 2.4 自平衡式两轮电动柔性模型建立
• 2.5 本章小结
• 第3章 自平衡式两轮电动车控制器设计
• 3.1 系统特性分析
• 3.1.1 能控性分析
• 3.1.2 能观性分析
• 3.1.3 转弯惯性力分析
• 3.1.4 最大上下坡角度分析
• 3.1.5 最大可控角分析
• 3.2 双闭环PID控制器设计
• 3.2.1 内环控制器设计
• 3.2.2 外环控制器设计
• 3.3 模糊控制器设计
• 3.3.1 模糊控制简介
• 3.3.2 车身倾角模糊控制器设计
• 3.3.3 双闭环模糊控制器设计
• 3.4 车轮转速差矫正
• 3.5 本章小结
• 第4章 自平衡式两轮电动车实物系统设计
• 4.1 基于MEMS的倾角传感器设计
• 4.1.1 MEMS简介
• 4.1.2 传感器选型及设计
• 4.1.3 倾角传感器信号处理
• 4.2 执行机构设计
• 4.2.1 直流电机及驱动器
• 4.2.2 机械本体
• 4.3 其它机构设计
• 4.3.1 电源及电源转换
• 4.3.2 控制机构
• 4.3.3 人机交互机构
• 4.4 软件结构
• 4.5 本章小结
• 第5章 实物实验及结果分析
• 5.1 实物系统实验
• 5.1.1 启动实验
• 5.1.2 平衡控制实验
• 5.1.3 车轮转速跟定实验
• 5.1.4 斜坡运行实验
• 5.2 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读学位期间发表的学术论文
• 致谢